Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển qua mạng truyền thông công nghiệp, hệ biến tần động cơ

MỞ ĐẦU
Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học - kỹ thuật, nhất là sự
phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện, khoa học máy tính, công
nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển. Giai đoạn vừa qua việc điều
khiển động cơ điện nói chung cũng như động cơ xoay chiều nói riêng đã
đạt được những tiến bộ vượt bậc.
Trong thực tế hiện nay, các hệ truyền động điện xoay chiều được ứng
dụng rất nhiều trong sản xuất cũng như trong công nghệ quốc phòng.
Nhưng do đặc thù về cấu trúc cũng như phương pháp điều chỉnh động cơ
xoay chiều khá phức tạp mà trước đây khi khoa học kỹ thuật chưa phát
triển thì vấn đề điều chỉnh tốc độ, ổn định tốc độ trong quá trình làm việc
gặp nhiều khó khăn, phạm vi ứng dụng hệ điều khiển này hẹp, hầu hết đều
sử dụng động cơ điện một chiều do đặc tính điều chỉnh của động cơ này dễ
dàng hơn so với động cơ điện xoay chiều.
Tuy nhiên, động cơ xoay chiều không đồng bộ (đặc biệt rôto lồng sóc)
có những tính chất mà các động cơ có kết cấu đơn giản khác không thể có,
như mômen quán tính nhỏ, giá thành chế tạo rẻ, dễ vận hành, nối trực tiếp
với nguồn lưới điện ba pha… Các thiết bị điều chỉnh gọn nhẹ, có thể làm
việc trong môi trường dễ cháy nổ. Với những ưu điểm đó động cơ không
đồng bộ đang ngày càng sử dụng phổ biến thay thế động cơ một chiều.
Đối với hệ truyền động xoay chiều biến tần - động cơ xoay chiều ba
pha, vấn đề điều chỉnh, ổn định tốc độ khá phức tạp vì có nhiều tham số phi
tuyến và khó mà thực hiện được. Để thực hiện điều chỉnh người ta tiến
hành xây dựng bộ điều khiển PID với các tham số mềm có thể dễ dàng điều
chỉnh được trên cơ sở xây dựng mô hình lý tưởng hóa, bỏ qua các tác động
và coi động cơ như một hệ tuyến tính. Hệ điều khiển ổn định tốc độ biến
tần - động cơ không đồng bộ ba pha thực tế đã được tổng hợp theo luật PID
và PLC tự động tính toán điều chỉnh thông qua khối FB41. Chính vì vậy, đề
1

tài đồ án là: " Xây dựng bài thí nghiệm điều khiển qua mạng truyền
thông công nghiệp, hệ biến tần động cơ".
Mục đích chính của đồ án là nghiên cứu và xây dựng hệ truyền động ổn
định và vị trí hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng biến tần công nghiệp
và PLC.
Nội dung cụ thể của đồ án như sau:
Chương 1: Động cơ không đồng bộ ba pha và các phương pháp
điều khiển. Nêu khái quá các đặc điểm điều khiển tần số từ đó có thể khái
quát nên hệ truyền động trên cơ sở động cơ xoay chiều ba pha.
Chương 2: Biến tần công nghiệp và mạng truyền thông. Hiện nay
trên thị trường có rất nhiều loại Biến tần của các hãng khác nhau được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Trong chương này xin trình bày một cách
khái quát chung về một số loại Biến tần thông dụng nhất .
Chương 3: Xây dựng bài thí nghiệm hệ biến tần động cơ qua mạng
truyền thông công nghiệp. Trên cơ sở yêu cầu bài toán cũng như các thiết
bị thực tế hiện có sử dụng một trong phương pháp xây dựng một hệ truyền
động điện xoay chiều được coi là tối ưu nhất có thể.
Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù được sự chỉ bảo tận tình giúp
đỡ của thầy giáo Tiến sĩ Phạm Tuấn Thành và các thầy giáo trong bộ môn
kỹ thuật điện, khoa kỹ thuật điều khiển… Bản thân em đã rất cố gắng, tuy
nhiên do thời gian cũng như kiến thức còn hạn chế, luận văn của em không
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp chân thành
của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bài đồ án được hoàn thiện
hơn nữa.
Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ chỉ bảo,
hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Phạm Tuấn Thành thầy đã gợi mở hướng
nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể, sâu sắc, tạo
điều kiện giúp em từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu
2

trong quá trình thực hiện đồ án này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo và các cán bộ, nhân viên thuộc
Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Học Viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ và tạo
điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian thực hiện đồ án tại Học Viện.
Tiếp theo, em xin chân thành cảm ơn một số đồng nghiệp, bạn cùng lớp
đã có những đóng góp nhất định đối với công việc học tập, nghiên cứu của
em trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 13 tháng 05 năm 2011

3


CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha
Ngày nay, động cơ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác. Ưu điểm của động
cơ xoay chiều cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành
an toàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp
với lưới điện áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi.
Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của động cơ này là hệ số cos không
cao, đặc tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống
chế tốc độ) phức tạp nên gặp khó khăn trong quá trình điều chỉnh.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử
công suất, vi xử lý, tin học… đã cho phép giải quyết những bài toán phức
tạp trong vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian
thực với chất lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước
đây (mở rộng dải điều chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao…) và dần
dần thay thế hệ truyền động một chiều.

1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.1.1

Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

Cấu tạo động cơ không đồng bộ được trình bày trên (hình 1.1) gồm hai
bộ phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục
máy. Trục làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ bi và phía cuối trục có gắn
một quạt gió để làm mát máy dọc trục.

4


Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ
1: Lõi thép stato;

6: Hộp đầu cực;

2: Dây quấn stato;

7: Lõi thép rôto;

3: Nắp máy;

8: Thân máy;

4: Ổ bi;

9: Quạt gió làm mát;

5: Trục máy;

10: Hộp quạt

 Stato (phần tĩnh)
Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ
máy và nắp máy.
- Lõi thép: Lõi thép stato có dạng hình trụ (hình 1.2b) làm bằng các lá thép
kỹ thuật điện, được dập rãnh bên trong (hình 1.2a) rồi ghép lại với nhau tạo
thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
- Dây quấn stato: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có
bọc cách điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba
pha chạy trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
- Vỏ máy: Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.

5


Hình 1.2: Kết cấu stato máy điện không đồng bộ
a) Lá thép stato; b) Lõi thép stato
 Rôto (phần quay)
Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

Hình 1.3: Cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ
a) Dây quấn rôto lòng sóc; b) Rôto lõi thép; c) Ký hiệu động cơ trên sơ đồ.
- Lõi thép: Lõi thép rôto gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ
phần bên trong của lõi thép stato ghép lại, mặt ngoài dập rãnh (hình 1.3a)
để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắc trục.
- Trục: Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn
lõi thép rôto.

- Dây quấn rôto: Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ có hai
kiểu: rôto ngắn mạch còn gọi là rôto lồng sóc và rôto dây quấn.
+ Rôto lồng sóc (hình 1.3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm
đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu. Với
6


động cơ nhỏ, dây quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành
ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát (hình 1.3b)
+ Rôto dây quấn (hình 1.4) cũng quấn giống như giây quấn ba pha
stato và có cùng số cực từ như dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn luôn
đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của
rôto và cách điện với trục. Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt
này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi
động hoặc điều chỉnh tốc độ.

Hình 1.4: Cấu tạo máy điện không đồng bộ rôto dây quấn
1.1.1.2

Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ

Cho dòng xoay chiều ba pha vào dây quấn ba pha đặt trong rãnh stato
của động cơ không đồng bộ, dòng xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ
trường quay, quay với tốc độ:
n1 

60 f1
p

(1.1)

Trong đó: f1 là tần số lưới điện, p là số đối cực.
Từ trường quét qua dây dẫn rôto và cảm ứng trong dây dẫn rôto một
sức điện động:
7


E2  4, 44. f 2. kdq 2 .w 2 .

(1.2)

Vì dây quấn rôto nối ngắn mạch nên có dòng i2 , chiều của i2 cùng
chiều với E2 và được xác định theo qui tắc bàn tay phải. Khi xác định chiều
của E2 ta căn cứ vào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn (rôto) với
từ trường. Nếu coi từ trường là đứng yên thì chiều chuyển động tương đối
của thanh dẫn sẽ ngược chiều với n1 , vì n < n1 nên áp dụng quy tắc bàn
tay phải ta xác định được chiều của sức điện động. Dây dẫn rôto có dòng

i2 nằm trong từ trường quay stato sẽ sinh ra lực điện từ được xác đinh
theo quy tắc bàn tay trái. Tạo mômen quay kéo rôto quay cùng chiều với

n1 với tốc độ n < n1 gọi là động cơ không đồng bộ. Gọi hệ số trượt của
động cớ là s. Và s được tính như sau:

s

n1  n
n1

(0 < s < 1)

(1.3)

Thường thì s = 0,02 ÷ 0,06
- Về mặt năng lượng: Điện năng đưa vào dây quấn stato đã biến thành
cơ năng trên trục của máy điện, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ động
cơ điện.

Hình 1.5: Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ

8


1.1.2 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.2.1 Sơ đồ thay thế

~

U1
o

o

o

I1

I
o

x1

1
r1



I2


ẹKB
t



xo

U1

x'2
I2

I o
r’2/s



rf

ro

o

Hình 1.6: Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ
Đối với động cơ không đồng bộ có một số sơ đồ thay thế như sơ đồ
thay thế hình T hoặc hình  .ở trên là sơ đồ thay thế hình  của động cơ
không đồng bộ. Trong sơ đồ thay thế trên ta có :
U1 là trị số hiện dụng của điện áp pha stator
I0, I1 , I2: là các dòng điện từ hoá, dòng stato, dòng rôto quy đổi về stato.
X0, X1, X2: là điện kháng tản mạch từ hoá, stato, rôto đã quy đổi về stato.
R0, R1 , R2: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rôto đã quy đổi
về stator
S:hệ số trượt của động cơ
  m
s 1
1

(1.4)

Với 1 là tốc độ góc của từ trường quay hay tốc độ đồng bộ
 m là tốc độ góc của động cơ

9

10k


1.1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập.
Từ giản đồ thay thế ta tính được:

�
� 1
1
I1  U1 �

R '
� R0 2  X 0 2
( R1  2 )2  X nm 2
�
s
�

�
�
�
�
�
�

(1.5)

Trong đó Xnm=X1+X2’ điện kháng ngắn mạch.
Mặt khác ta cũng tính được dòng điện rôto quy đổi về stato như sau:
(1.6)
U1

I '2 
(r1 

r '2 2

)  ( x1  x'2 ) 2
S

Từ điều kiện cân bằng công suất của dộng cơ ta có phương trình
momen động cơ có dạng như sau:
Te 

3U 12 R ' 22
2


R '
3
1  R1  2   X nm
s
s 



(1.7)

Từ đó ta có đặc tính cơ của động không cơ đồng bộ
ω

+s
s=0

ω
sth1

n= 0

Tedm

Te th

Te

-n +s

Hình 1.7: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Ta có độ trượt tới hạn được tính như sau:
10


sth  �

R2 '

(1.8)

R12  X nm 2

Từ đó ta có mômen tới hạn:
Te th 



3U 12

2
2 1 R1  R12  X nm



(1.9)

Dấu + ứng với trường hợp động cơ không đồng bộ làm việc ở chế độ
động cơ, dấu – ứng với khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát
1.1.2.3 Các phương trình điện áp.
Ở trên ta đã nghiên cứu xây dựng mô hình cũng như xác định đặc tính
cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập. Để thể hiện rõ tất cả các
ảnh hưởng xuất hiện trong chế độ xác lập cũng nhhư chế độ quá độ ta tiếp
tục như sau:
Điện áp của stator được viết trên hệ toạ độ gắn với trục động cơ. Theo
cách này, điện áp rôto được viết trên hệ toạ độ quay gắn với rôto.
Ta có thể biểu diễn phương trình trong hệ toạ độ tĩnh như sau:
u sA (t )  Rs isA (t ) 

d sA (t )
dt

(1.10.a)

usB (t )  Rs isB (t ) 

d sB (t )
dt

(1.10.b)

usC (t )  RsisC (t ) 

d sC (t )
dt

(1.10.c)

Các biểu thức tương tự cho rôto:
ura (t )  Rr ira (t ) 

d ra (t )
dt

(1.11.a)

urb (t )  Rr irb (t ) 

d rb (t )
dt

(1.11.b)

urc (t )  Rr irc (t ) 

d rc (t )
dt

(1.11.c)

Giá trị từ thông tức thời của stator được biểu diễn như sau:
11


 sA (t )  LsisA  M s isB  M sisC  M sr cos  mira  M sr cos( m  2 3 )irb  M sr cos( m  4 3 )irc

(1.12.a)
 sB (t )  M s isA  LsisB  M sisC  M sr cos( m  4 3 )ira  M sr cos  mirb  M sr cos( m  2 3 )irc

(1.12.b)
 sB (t )  M s isA  M sisB  LsisC  M sr cos( m  2 3 )ira  M sr cos( m  4 3 )irb  M sr cos mirc

(1.12.c)
Giá trị tức thời của từ thông rôto được biểu diễn như sau:
 ra (t )  M sr cos(  m )isA  M sr cos( m  2 3 )isB  M sr cos( m  4 3 )isC  Lr ira  M r irb  M r irc

(1.13.a)
 rb (t )  M sr cos( m  4 3 )isA  M sr cos( m )isB  M sr cos( m  2 3 )isC  M r ira  Lr irb  M rirc

(1.13.b)
 ra (t )  M sr cos( m  2 3 )isA  M sr cos( m  4 3 )isB  M sr cos( m )isC  M r ira  M r irb  Lr irc

(1.13.c)
Kết hợp tất cả các phương trình trên ta có ma trận sau:
Rs  pLs
usA � �
�
�
� ��
usB � pM s

�
�
� ��
u
�sC � �pM s
� � �
ura � pM sr cos  m
�
�
� ��
u
�rb � �pM sr cos  m 2
�
urc �
�
� �pM cos 
� sr
m1

pM s

pM s

pM sr cos  m

pM sr cos  m1

Rs  pLs

pM s

pM sr cos  m 2

pM sr cos  m

pM s

Rs  pLs

pM sr cos  m1

pM sr cos  m 2

pM sr cos m1

pM sr cos  m 2 Rr  pLr

pM r

pM sr cos m

pM sr cos  m1

pM r

Rr  pLr

pM sr cos  m 2

pM sr cos  m

pM r

pM r

pM sr cos  m 2 ��
� isA �
��
pM sr cos  m ��
i
� sB �
�
�
isC �
pM sr cos  m ��
�.
�
��
ira �
pM r
�
�
�
��
irb �
pM r
�
�
��
irc �

�
�
Rr  pLr
�

(1.14)
1.1.2.4 Áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park
Để rút gọn biểu thức cho phương trình điện áp động cơ không đồng bộ,
ta có thể áp dụng phép chuyển hệ toạ độ Park. Về mặt vật lý có thể hiểu nó

12


là việc chuyển từ ba cuộn dây của động cơ không đồng bộ thành cuộn dây
đặt vuông góc nhau như hình vẽ sau:

Hình 1.8: Sơ đồ của phép chuyển hệ trục tọa độ
Từ hình vẽ ta có thể thấy mối quan hệ giữa hai trục toạ độ được thể
hiện như sau:
�1
�
us 0 � � 2
� � �
u sD � c. �
cos 
�
� � �
 sin 
u sQ �
�

�
� �
�
�

1

1

�
��
usA �
�� �
cos(  2 ) cos(  2 ) �
.�
usB �
3
3
�� �
u
 sin(  2 )  sin(  2 ) ��sC �
3
3 �
�
2

2

�1
�

�
��
cos


sin

2
u
us 0 �
�sA �
�
�
�
�
� �
2

2

1
�
�
u

c
.
cos(



)

sin(


)
.
u
�
�sB �
3
3 ��sD �
2
�
�
� �
�
u sC � �
u
�
�
�
cos(  2 )  sin(  2 ) ��sQ �
�1
3
3
� 2
�

(1.15)

(1.16)

Trong đó c là hằng số, c = 2/3 hoặc c = 1 cho trường hợp không có sự
cân bằng công suất; c = 2 / 3 cho trường hợp đảm bảo cân bằng công suất.
Có thể biểu diễn các giá trị điện áp trên hệ toạ độ d-q và α - β như sau:

13


u sD �
i �
�
�
 Ls p s
pLm
 Lm ( P.wm  p r ) ��sD �
� � � Rs  pLs
��
u sQ � � L p
isQ �
�
Rs  pLs
Lm ( P.wm  p r )
pLm
s
s
�
�
.� �

� �
��
pLm
 Lm ( p s  P.wm )
Rr  pLr
 Lr p r
ur � �
i �
�
�
��r �
� � Lm ( p s  P.wm )
pLm
Lr p r
Rr  pLr
��
ur  � �
ir  �
�

(1.17)
3
2

Trong đó Ls  Ls  M s , Lr  Lr  M r và Lm  M sr
1.1.2. 5 Các phương trình ma trận điện áp
a. Hệ toạ độ gắn với stator
Khi đó ws =0 và wr = -wm, phương trình 1.17 trở thành:
usD �
�

� � �Rs  pLs
usQ � � 0
�
� � �
urd � � pLm
�
� � �
 L P.wm
urq � � m
�

0
Rs  pLs

pLm
0

Lm P.wm
pLm

Rr  pLr
Lr p m

i �
�
��sD �
��
isQ �
�
. � � (1.18)

Lr p m ��
i �
��rd �
Rr  pLr �
irq �
�
0
pLm

b. Hệ toạ độ gắn với rôto
Khi đó wr = 0 và ws = wm, phương trình 1.17 trở thành:
usD �
�
Rs  pLs
� � �
�
usQ � L Pw
�
s
m
� � �
ur � � pLm
�
� � � 0
ur  � �
�

 Ls Pwm
Rs  pLs
0

pLm
Lm Pwm
Rr  pLr

pLm

0

i �
�
 Lm Pwm ��sD �
isQ �
pLm ��
�
.� �
0 ��
u �
��rd �
Rr  pLr �
urq �
�

(1.19)

c. Hệ toạ độ gắn với từ thông đồng bộ
Khi đó wr = sws, phương trình 1.18 trở thành:
u sD �
�
Rs  pLs

� � �
�
u sQ �
�
Ls ws
� � �
urd � � pLm
�
� � �Lm sws
urq � �
�

 Ls ws
Rs  pLs
 Lm sws

pLm
Lm ws
Rr  pLr

pLm

Lr sws

i �
�
��sD �
��
isQ �
�

.� �
��
i �
��rd �
Rr  pLr �
irq �
�
 Lm ws
pLm
 Lr sws

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
14


Ta biết rằng, tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể điều chỉnh được
bằng cách thay đổi thông số của điện áp nguồn. Cụ thể là thay đổi biên độ
điện áp đặt vào các cuộn dây stator hoặc thay đổi tần số của dòng điện
stator. Do đó ta có thể chia các phương pháp điều chỉnh này thành 2
phương pháp: Phương pháp điều khiển biên độ điện áp và phương pháp
điều khiển tần số. Sơ đồ tổng quát của hệ Truyền động điện xoay chiều 3
pha có bộ biến đổi thông số nguồn được trình bày trên hình 1.9:
Uđk
Ulưới
Bộ

ĐC

Biến đổi

XC3
P

Hình 1.9: Sơ đồ tổng quát hệ TĐĐ có bộ điều chỉnh thông số nguồn.
1.2.1. Phương pháp điều khiển biên độ
Để điều chỉnh điện áp, người ta dùng bộ biến đổi điện áp để có điện áp
ra thay đổi tuỳ theo tín hiệu đặt điều khiển Uđk.
Trong thực tế có nhiều loại bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Biến áp tự
ngẫu, khuếch đại từ, bộ điều chỉnh tiristor, bộ điều chỉnh xung. Hệ TĐĐ
dùng biến áp tự ngẫu có cấu trúc đơn giản, nhưng các chỉ tiêu chất lượng
không cao và khó tự động hoá, nên hệ này rất ít được ứng dụng. Ba loại sau
có cải thiện được các đặc tính điều chỉnh, cho phép khả năng tự động hoá
nên được sử dụng nhiều hơn.
Phương pháp điều khiển điện áp còn bộc lộ nhiều nhược điểm như: tổn
thất lớn, độ chính xác chưa cao... Hệ truyền động điện dùng phương pháp
điều áp nói chung có một nhược điểm rất lớn, đó là gặp nhiều khó khăn
trong vấn đề đảo chiều động cơ.
1.2.2. Phương pháp điều khiển tần số
15


Để thực hiện điều tần người ta dùng bộ biến tần để làm thay đổi tần số
điện áp cấp cho stator theo đúng quy luật của tín hiệu đặt. Ta có thể chia
các bộ biến tần thành 2 loại: Biến tần dùng máy điện và biến tần dùng van.
Nói chung, các bộ biến tần dùng máy điện đều phức tạp, sử dụng nhiều
máy điện trong đó có máy điện một chiều, công suất tổng cộng lớn, hiệu
suất thấp và khó điều chỉnh. Do đó các bộ biến tần dùng máy điện trong
thực tế ít được sử dụng.
Các bộ biến tần dùng van có thể được phân thành ba loại: Biến tần trực
tiếp, biến tần có khâu trung gian một chiều và biến tần có khâu trung gian

xoay chiều. Các bộ biến tần này đều sử dụng van điều khiển động lực
(Thyristors). Khi sử dụng phương pháp điều tần cần chú ý rằng máy điện
được chế tạo để làm việc ở một tần số định mức, nên khi thay đổi tần số thì
chế độ làm việc của máy điện sẽ bị thay đổi vì tần số ảnh hưởng trực tiếp
đến từ thông máy điện. Do đó dễ gây hiện tượng quá tải về dòng (khi tần số
quá lớn) hoặc nóng máy (khi tần số quá nhỏ). Cho nên, khi điều tần người
ta phải đồng thời thay đổi biên độ điện áp đặt lên stator.
Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so
với phương pháp điều áp, đó là: Nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ
dàng trong việc đảo chiều động cơ. Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động
cơ xoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn bởi vì động cơ xoay chiều là
phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó
khăn khi điều chỉnh tốc độ và mômen .
1.2.3. Điều khiển điện áp - tần số không đổi
Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp - tần số không đổi
được phân tích trên cơ sở giả thiết điện áp stato có dạng hình sin đối xứng
ở ba pha, có trị số biên độ và tần số không đổi. Với giả thiết đó có thể bỏ
qua hiệu ứng bề mặt, điện trở stato không đổi, điện trở từ hoá có thể bỏ
qua. Sức điện động stato Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp
16


stato Us một lượng sụt áp trên trở kháng tản từ stato. Do bỏ qua các thành
phần sóng hài của sức từ động nên từ thông khe hở sẽ có dạng hình sin và
từ thông móc vòng mỗi vòng dây cũng là hàm hình sin.
Từ thông móc vòng một vòng dây stato có dạng:
 = m.sinst

(1.20)

Trong đó: s = 2fs – tần số góc của điện áp nguồn cung cấp.
Sức điện động ứng với một vòng dây stato là:
es =

d
= s.m.cosst
dt

(1.21)

Và trị số hiệu dụng sức điện động stato là:
Es = s.m.Kw.N1/ 2 = 4,44.Kw.fs.N1.m

(1.22)

Với N1 là số vòng dây nối tiếp của một pha; Kw là hệ số dây quấn.
Từ biểu thức (1.3) thấy rằng m sẽ tỉ lệ với tỉ số Es/s hoặc Es/fs. Khi điều
khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽ được sử dụng
hiệu quả nhất, tức là khả năng sinh mômen lớn nhất. Từ thông khe hở không
đổi khi duy trì tỉ số Es/fs không đổi. Nếu sụt áp trên tản từ bé có thể bỏ qua thì
sức điện động Es sẽ xấp xỉ bằng điện áp U s. Do đó từ thông khe hở sẽ được
duy trì gần không đổi khi duy trì tỉ số Us/fs hằng số. Đây là nội dung cơ bản
của luật điều khiển điện áp - tần số không đổi và phương pháp điều khiển này
được sử dụng phổ biến trong các hệ điều khiển hở đơn giản.
* Điều khiển từ thông khe hở không đổi:
Điều khiển từ thông khe hở không đổi, động cơ không đồng bộ 3 pha
có khả năng sinh mômen lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả ở
dải tần số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn. Để duy trì được từ
thông khe hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được
điều chỉnh tỉ lệ với tần số stato thay cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện

áp - tần số không đổi như đã trình bày ở mục 1.2.3.
Sức điện động stato Es được tính theo công thức (1.3) :
17


Es = s.m.Kw.N1/ 2 = 4,44.Kw.fs.N1.m
Từ sơ đồ thay thế hình T của động cơ KĐB ba pha có:
Es = j.Xm.Im = j.m.Lm.Im.
Trong đó:

(1.23)

Lm – điện cảm từ hoá.
Im – dòng điện từ hoá.
s – tần số góc nguồn stato.

Các biểu thức trên cho thấy từ thông khe hở tỉ lệ với tỉ số E s/s và do
đó tỉ lệ với tích số Lm.Im. Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ
đồng nghĩa với điều chỉnh tỉ số E s/s không đổi. Nếu mạch từ động cơ
không bão hoà và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hoá.
Ở chế độ non tải, dòng điện từ hoá sẽ có giá trị lớn tương đối với giá trị
ở chế độ làm việc bình thường của động cơ.
1.2.4. Phương pháp điều khiển vectơ
1.2.4.1. Nguyên lý điều khiển vectơ
Nguyên lý điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ là chiếu các tham
số dòng điện, điện áp, từ thông lên các trục tọa độ  từ đó qua các bộ biến
đổi thay đổi các tham số để điều khiển động cơ. Sự tương tác này được
trình bày trên hình 1.10.
Ở động cơ một chiều bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ
không bão hoà mômen động cơ một chiều được tính như sau:

M = Km Iư = K’Ikt Iư

(1.24)

Trong đó:
M: Mômen quay của động cơ
m: Từ thông của động cơ
Iư: Dòng điện phần ứng
Ik: Dòng điện kích từ
K, K’: Là các hằng số
18


I*ds

Ik
ckt

ĐC

I*qs

Mạch ĐK
nghịch lưu

ĐC

Hình 1.10: Sự tương tác giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều
và điều khiển vectơ
a. Điều khiển một chiều

b. Điều khiển xoay chiều

Ta nhận thấy rằng dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ (hoặc từ
thông) không phụ thuộc vào nhau. Do đó có thể điều khiển độc lập dòng
kích từ và dòng phần ứng để đạt được đặc mômen là tối ưu. Duy trì I kt=
const mômen được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng điện phần ứng.
Phương pháp điều khiển này có thể áp dụng cho việc điều khiển động cơ
không đồng bộ nếu sử dụng khái niệm không gian vectơ. Với ý tưởng định
nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ ở hệ toạ
độ quay với tốc độ đồng bộ s (0dq) các đại lượng dòng điện, điện áp và từ
thông khi đó là các đại lượng một chiều. Vectơ dòng điện có thể tách ra hai
thành phần trên hai trục vuông góc d và q là I ds và Iqs . Mômen động cơ
không đồng bộ là hàm của từ thông và dòng điện stato. Bằng cách chọn
trục d trùng với trục từ thông rôto phương trình từ thông và mômen được
viết như sau:
Lm
 dr 
I ds
1 pTr
M 

3 Lm
Pc dr I qs
2 Lr

(1.25a)
(1.25b)

Trong đó:

dr: Hình chiếu của vector từ thông rôto trên trục d.
Ids, Iqs: Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục d và q.
19


M: Mômen quay của động cơ.
Lr, Lm: Điện cảm rôto, hỗ cảm giữa stator và rôto.
pc: Số đôi cực của động cơ
Tr: Hằng số thời gian rôto
p: Toán tử laplace
Phương trình (1.25a) chỉ ra rằng từ thông rôto có thể được tăng giảm
gián tiếp thông qua tăng giảm Ids. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quan hệ (1.25a)
giữa hai đại lượng ds và Ids là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian
Tr. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính dòng I ds, có thể coi Ids
là đại lượng điều khiển từ thông, nó tương ứng với I k trong động cơ một
chiều kích từ độc lập. Mặt khác, tại mỗi thời điểm làm việc của động cơ, từ
thông đã giữ ổn định. Khi đó, quan hệ (1.25b) cho thấy rằng mômen M có
thể được điều khiển thông qua việc điều khiển I qs. Do đó Iqs còn được gọi là
dòng tạo mômen quay và nó tuơng ứng với dòng phần ứng I ư trong động cơ
một chiều kích từ độc lập. Phương pháp điều khiển tách rời hai thành phần
dòng điện stato có thể được minh hoạ bằng đồ thị pha hình 1.11.

Hình 1.11: Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ
a. Điều chỉnh thành phần mômem

b. Điều chỉnh thành phần từ thông

Thành phần dòng điện stato trên trục q (I qs) là thành phần sinh mômen
và sẽ tương ứng với công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs Iqs
Thành phần dòng điện stato trên trục d (I ds) là thành phần sinh từ thông

và sẽ tương ứng với công suất phản kháng truyền qua khe hở Uqs Ids
20


Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lập
nhau. Với đồ thị hình 1.11a thành phần dòng điện I ds duy trì không đổi
tương ứng với từ thông rôto được duy trì không đổi, mômen động cơ thay
đổi khi thay đổi thành phần I qs (từ Iqs1 đến Iqs2). Kết quả vectơ dòng điện
stato thay đổi từ Is1đến Is2. Rõ ràng trong trường hợp này cả biên độ và góc
pha của vectơ dòng điện stato thay đổi.Tương tự như vậy hình 1.11b thành
phần Iqsđược duy trì không đổi, thay đổi thành phần I ds sẽ làm thay đổi độ
lớn và góc pha của vectơ dòng điện stato.
Ta có sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ của động cơ không
đồng bộ trình bày trên hình 1.12.
sins

I *ds
I

*
qs

coss

I*s

dq




ias*

ias

*
bs

ibs

*
abc ics

ics

i

I*s

sins

coss



Ids

is

abc




is

dq
dq

Iqs

mô hình
đc trên
hệ dq

abc
Biến đổi ngược toạ độ

Biến đổi thuận toạ độ

HìnhHình
1.12:
Không
vẽ cơ
bộbản
nghịch
coivectơ
cácvới
thành
phần

dòng
1.12
Sơ đồ khối
của hệlưu
đều và
khiển
mô hình
động
cơ điện 3
pha chuẩn ia*, ib*, ic* nhận được từ hệ thống điều khiển. Bằng hai phép biến
đổi (abc/), (/dq) với góc quay từ trường s ta nhận được các thành
phần Ids và Iqs đặt vào mô hình động cơ ở hệ toạ độ quay đồng bộ.
1.2.4.2. Các phương pháp điều khiển vectơ cơ bản
Theo nguyên lý xác định góc quay từ trường phân làm hai phương pháp
điều khiển vectơ:
- Phương pháp điều khiển trực tiếp, đề xuất bởi của Fblashke.
- Phương pháp điều khiển gián tiếp, đề xuất bởi K.Hasse.
* Phương pháp điều khiển trực tiếp.
21


Nguyên lý điều khiển vector trực tiếp là một phương pháp điều khiển
vector trong đó các tín hiệu về biên độ và góc pha từ thông rotor có được
bằng cách tính toán trực tiếp từ các thành phần từ thông khe hở không khí
hoặc từ thông trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc.
Hình 1.13 đưa ra sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển vector trực
tiếp sử dụng bộ nghịch lưu nguồn dòng với phương pháp điều biến độ rộng
xung (PWM).
Nguồn DC

m
m*

*r
+

M

r

G1

*
ds

i

 r + + i*
qs
G1
+ G2

dq

*

*

M

-

r

-

i *s

G2



 i *
s

coss

m

Iq

abc

*

bộsltạo

sin/cos

i

*
bs

i*

dq


abc

biến
i*

i *cs

tần

i as PWM
i bs i cs

sins
m

L mL r
L rΨ r

Id

i *as

sin/cos

cos

coss

sins

*
sl

m
sinsl*

tính căn

ĐK

+

cosr

sinr

Mã hoá
góc

bậc hai

i*as i* i*cs
bs
BT

ias

ibs ics

ĐC

Hình 1.13: Sơ đồ hệ thống điều khiển vector trực tiếp sử dụng
nghịch lưu nguồn dòng
* Phương pháp điều khiển vector gián tiếp.

Sensor vị trí và tốc độ

Phương pháp điều khiển vector gián tiếp có thể không cần sử dụng sensor
từ thông như trong phương pháp điều khiển vector trực tiếp mà chỉ cần sensor
vị trí để xác định chính xác góc cơ học của rôto,sơ đồ như hình 1.14
22
Hình 1.14: Hệ thống điều khiển vị trí sử dụng phương pháp điều khiển véctơ gián tiếp


r
*

Tr/Lm

I*ds

p+(1/Tr)

I

i*s

dq

 i*s

*
qs

i*as


abc

i*bs

BT

i*cs

ias ibs
M*

1/kt*r

Mô hình được biểu diễn trên hình 1.15

÷

*sl

1/p

s

ics

ĐK

+
sl

+

r*
Sensor vị trí

Hình1.15: Hệ thống điều khiển vector gián tiếp dùng sensor vị trí

23


1.2.4.3. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rôto (hình 1.16)
Rψ

1

ψ*rd

2

I*sd

Ri
3
yd

-

yq

*

ψrd

I sq

usd

MTu

usq

4

e

j s

usα

Điều chế
vecto

usβ

-

u*a
u *b
u*c

=

3~
a b c

5
θs

8
Mô hình
từ thông
và tính
góc

ω*r


r

Isq

9
-

Rω

7

Isd

10
Khối tính
toán tốc
độ

Kh

e

 j s

isα

6

3

isβ

2

is
M3
~

us

Khâu
điều chỉnh
thông
điều chỉnh
độ (khối 9).
Hình1.16:
Cấutừtrúc
kinh(khối
điển 1)
củavàhệkhâu
TĐĐXCBP
điềutốc
khiển
Khâu điều chỉnh cấp dưới (vòng trong cùng) bao gồm hai khâu điều chỉnh
độc lập theo luận PI (khối 2) điều chỉnh hai thành phần dòng một chiều.
Mạch tính điện áp (khối 3 MTu) có nhiệm vụ tính các thành phần điện áp
uds và uqs từ đại lượng đầu ra của hai khâu điều chỉnh dòng. Khi mạch tính
24

MTu sử dụng các đại lượng biến thiên chậm là từ thông rôto và tốc độ
quay, nếu biết góc θs ta có thể chuyển hai thành phần điện áp u ds và uqs sang
hệ toạ độ stato (khối 4). Điện áp đặt lên cực của động cơ theo phương pháp
điều chế vectơ không gian (khối 5). Khâu điều chế vectơ không gian có
nhiệm vụ tính thời gian đóng ngắt các van bán dẫn nghịch lưu từ hai thành
phần điện áp usα và usβ. Mô hình tính từ thông và góc quay (khối 8) có chức
năng tính toán (còn gọi là khâu quan sát từ thông) giá trị thực của từ thông
rôto ψds và góc pha θs từ dòng điện stato và tốc độ quay ωr.
Giả sử hai thành phần dòng điện I ds và Iqs hoàn toàn không phụ thuộc
vào nhau (tức là tuyệt đối cách ly), khi ấy phương án kinh điển sử dụng hai
khâu điều chỉnh dòng theo luật PI sẽ là hoàn hảo. Trong thực tế hai thành
phần dòng có tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau và phụ thuộc vào ω s. Vậy mà
khâu MTu lại chỉ là mạch tính thông thường được xây dựng cho chế độ xác
lập, không có khả năng theo đúng nghĩa của tự động điều khiển. Chính vì
vậy bấy lâu nay phương án kinh điển chỉ hoạt động tốt ở chế độ tĩnh chưa
tốt ở chế độ động. Điều này thể hiện đặc biệt rõ khi hệ làm việc ở vùng suy
giảm từ thông (tốc độ quay lớn hơn tốc độ định danh) là vùng thường
xuyên xảy ra tương tác giữa Ids và Iqs.
Trong thực tế động cơ xoay chiều 3 pha là một đối tượng có mô hình
toán học phức tạp. Giữa các thành phần I ds và Iqs có tồn tại tương tác động
học. Một cách chính tắc ta phải coi đối tượng động cơ xoay chiều 3 pha là
đối tượng điều khiển hai chiều. Vì vậy để chế ngự tốt đối tượng điều khiển
đó bằng một khâu điều chỉnh hai chiều. Trong cấu trúc của khâu đó bên
cạnh các thành phần điều chỉnh nhánh dọc (nhánh chính) còn có thành phần
nhánh ngang (nhánh cách ly) đảm bảo triệt tiêu các ảnh hưởng tương tác.
1.3. Phân tích so sánh các phương pháp điều khiển.
Vậy để điều khiển động cơ không đồng bộ 3pha có nhiều phương pháp,
mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng.

25